DE102011103493A1 - Electric machine e.g. permanent magnet synchronous machine, has stator units supported at stator carrier, where stator carrier and stator units are penetrated through shaft, rotor unit secured at ends of shaft, and pump arranged in carrier - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektrische Maschine mit zwei axial voneinander beabstandeten, zueinander fluchtenden Statoreinheiten, denen jeweils eine Rotoreinheit zugeordnet ist, wobei die Rotoreinheiten miteinander verbunden sind.The invention relates to an electric machine with two axially spaced, mutually aligned stator units, each associated with a rotor unit, wherein the rotor units are interconnected.
Eine gattungsgemäße elektrische Maschine ist aus der
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art zur Verfügung zu stellen, die hinsichtlich Bauraum, Bauaufwand und Leistungsdichte weiter optimiert ist.The present invention is based on the object to provide an electrical machine of the type mentioned above, which is further optimized in terms of space, construction costs and power density.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein zentraler Statorträger vorgesehen ist, an dem – bezogen auf seine Axialerstreckung – beiderseits jeweils eine Statoreinheit gehaltert ist, wobei der Statorträger und die beiden Statoreinheiten von einer drehbar gelagerten Rotorwelle durchsetzt sind, an deren Wellenenden jeweils eine der Rotoreinheiten befestigt ist.This object is achieved in that a central stator is provided on which - based on its axial extent - on both sides in each case a stator is supported, wherein the stator and the two stator units are penetrated by a rotatably mounted rotor shaft, at the shaft ends in each case one of Rotor units is attached.
Der erfindungswesentliche Gedanke besteht demnach darin, die Statoreinheiten nicht an den äußeren Stirnwänden der elektrischen Maschine zu befestigen, sondern die aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung gleichsam „umzukehren” und die Statoreinheiten an einem innen, d. h. zentral angeordneten Bauteil zu haltern, wodurch sich eine räumliche Nähe der Statoreinheiten zueinander ergibt, die mehrere Vorteile aufweist:
Neben der kompakteren Bauweise können – abhängig von der elektrischen Verschaltung der Spulen der Statoreinheiten – gemeinsame elektrische Anschlussleitungen vorgesehen werden, wodurch sich der Bauaufwand verringert. Bei einer Ausführungsform der elektrischen Maschine, bei der diese nur zwei Wicklungsstränge aufweist, wobei die jeweils einer Statoreinheit zugeordneten Spulen einen der Wicklungsstränge bilden, ist es möglich, die Wicklungen vollautomatisch und damit kostengünstig aufzubringen.The idea essential to the invention therefore consists of not fastening the stator units on the outer end walls of the electric machine, but rather of "reversing" the arrangement known from the prior art and of supporting the stator units on an internally, ie centrally arranged component, resulting in a spatial proximity of the stator results to each other, which has several advantages:
In addition to the more compact design can - depending on the electrical interconnection of the coils of the stator - common electrical leads are provided, thereby reducing the construction cost. In one embodiment of the electric machine, in which this has only two winding strands, wherein each associated with a stator coils form one of the winding strands, it is possible to apply the windings fully automatically and therefore cost.
Der Statorträger kann durch entsprechende Dimensionierung als kraftübertragende Zentralkomponente der elektrischen Maschine ausgebildet und ohne gesonderte Halterungen direkt an Baugruppen befestigt werden, mit denen die elektrische Maschine verbunden werden soll. Je nach Einbaufall kann dabei auf ein separates Maschinengehäuse der elektrischen Maschine ggf. verzichtet werden.The stator can be formed by appropriate dimensioning as a force-transmitting central component of the electric machine and fastened without separate brackets directly to modules with which the electrical machine to be connected. Depending on the case of installation, a separate machine housing of the electrical machine may possibly be dispensed with.
Schließlich gestaltet sich auch die Lagerung der Rotoreinheiten gegenüber der aus dem Stand der Technik bekannten Anordnung einfacher, denn anstelle von zwei getrennten Rotorwellen, die jeweils zwei Lagerstellen benötigen und durch eine Kupplungsmuffe miteinander verbunden sind, kann eine ein- oder mehrteilige Rotorwelle verwendet werden, die lediglich zwei Lagerstellen erfordert.Finally, the storage of the rotor units compared to the known from the prior art arrangement simpler, because instead of two separate rotor shafts, each requiring two bearings and are connected by a coupling sleeve, a single or multi-piece rotor shaft can be used only two bearings required.
Die erfindungsgemäße elektrische Maschine kann – analog zu der aus dem Stand der Technik bekannten elektrischen Maschine – als Axialflussmaschine ausgeführt sein oder alternativ als Radialflussmaschine. Gemäß einer besonders günstigen Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Rotoreinheiten als Außenläufer einer Radialflussmaschine ausgebildet sind. Dadurch können eine axial kurze Bauweise der elektrischen Maschine und äußerst geringe Trägheitsmomente der Rotoren erzielt werden, was eine kompakte und hochdynamische elektrische Maschine erlaubt. Sinnvollerweise ist die elektrische Maschine zweiphasig ausgebildet und besteht aus zwei Halbmaschinen mit völlig getrennten magnetischen Kreisen. Die beiden Halbmaschinen sind also magnetisch nicht miteinander verkettet. Dies kann mit Vorteil für einen einfachen Aufbau und gute Laufeigenschaften der elektrischen Maschine ausgenutzt werden. Die Wicklungsspulen jeder Halbmaschine werden bevorzugt jeweils an einer Seite am Statorträger geerdet und an der anderen Seite aus der Halbmaschine herausgeführt. Somit verfügt jede Halbmaschine nur über ein einziges herauszuführendes Anschlusskabel. Die bereits erwähnte, nicht verkettete Flussführung des magnetischen Flusses der beiden Halbmaschinen erlaubt es, eine Vielzahl an Variablen zu beeinflussen, beispielsweise um die elektrische Maschine hinsichtlich einer geforderten Momentenwelligkeit oder Leistung zu optimieren.The electric machine according to the invention can be designed as an axial flow machine, analogously to the electric machine known from the prior art, or alternatively as a radial flux machine. According to a particularly advantageous embodiment of the invention it is proposed that the rotor units are designed as external rotor of a radial flux machine. As a result, an axially short design of the electric machine and extremely low moment of inertia of the rotors can be achieved, which allows a compact and highly dynamic electric machine. It makes sense for the electric machine to be two-phase and consists of two semi-machines with completely separate magnetic circuits. So the two semi-machines are not linked together magnetically. This can be used to advantage for a simple structure and good running properties of the electrical machine. The winding coils of each semi-automatic machine are preferably earthed on one side on the stator carrier and led out of the half-machine on the other side. Thus, each half machine has only one single lead out cable. The already mentioned, non-linked flow control of the magnetic flux of the two semi-motors makes it possible to influence a large number of variables, for example in order to optimize the electric machine with regard to a required torque ripple or power.
Es erweist sich eine Maschinenausführung als vorteilhaft, bei der die Rotoreinheiten jeweils einen Rotorkörper mit einem die zugeordnete Statoreinheit radial übergreifenden Rotorzylinder aufweisen, an dessen innerer Zylindermantelfläche Permanentmagnete angeordnet sind. Die elektrische Maschine ist also als Permanentmagnet-Maschine ausgebildet, vorzugsweise als Permanentmagnet-Synchron-Maschine, die einen guten Wirkungsgrad aufweist. Durch Fliehkräfte auftretende und auf die Permanentmagnete einwirkende Belastungen werden dabei von dem Rotorzylinder aufgenommen, ohne die bevorzugt durch Kleben hergestellte Verbindung der Permanentmagnete zum Rotorkörper durch Zugkräfte zu beanspruchen.It proves to be an advantageous machine embodiment, in which the rotor units each have a rotor body with a rotor unit radially overlapping the associated stator, are arranged on the inner cylinder surface circumferential permanent magnets. The electric machine is thus designed as a permanent magnet machine, preferably as a permanent magnet synchronous machine, which has a good efficiency. By centrifugal forces occurring and acting on the permanent magnets loads are thereby taken up by the rotor cylinder, without claiming the connection of the permanent magnets to the rotor body preferably produced by gluing by tensile forces.
Sofern die Statoreinheiten jeweils eine Mehrzahl von auf einem Statorblechpaket angeordneten Spulen umfassen und auf einer am Statorträger angeformten, hohlzylindrischen Halterung befestigt sind, ergeben sich Vorteile im Hinblick auf eine einfache Fertigung und Montage der elektrischen Maschine.If the stator units each comprise a plurality of coils arranged on a stator lamination stack and are fastened to a hollow-cylindrical holder formed on the stator carrier, there are advantages with regard to simple production and assembly of the electrical machine.
Hinsichtlich der Erzielung einer hohen Leistungsdichte ist es günstig, wenn in dem Statorträger Kühlkanäle einer Flüssigkeitskühlung angeordnet sind. Auf diese Weise kann eine sehr effiziente Wärmeabfuhr aus der elektrischen Maschine erzielt werden, wobei gerade der thermisch meistbeanspruchte Bereich der Statoreinheiten gut gekühlt wird. Die Spulen der Statoreinheiten sitzen bei der erfindungsgemäßen elektrischen Maschine direkt auf einem mittels Flüssigkeit gekühltem Bauteil, nämlich dem Statorträger.With regard to achieving a high power density, it is favorable if cooling channels of liquid cooling are arranged in the stator carrier. In this way, a very efficient heat dissipation from the electric machine can be achieved, with just the most thermally stressed area of the stator is cooled well. The coils of the stator units are seated in the electrical machine according to the invention directly on a cooled by means of liquid component, namely the stator.
Alternativ oder zusätzlich ist es im Zusammenhang mit einer Flüssigkeitskühlung des Statorträgers besonders von Vorteil, wenn in dem Statorträger eine Pumpe angeordnet ist, die einen mit der Rotorwelle verbundenen oder verbindbaren Pumpenrotor aufweist. Durch die mit dieser Pumpe geförderte Flüssigkeit kann die in der elektrischen Maschine entstehende Verlustwärme abgeführt werden.Alternatively or additionally, in connection with liquid cooling of the stator carrier, it is particularly advantageous if a pump is arranged in the stator carrier which has a pump rotor connected or connectable to the rotor shaft. Due to the pumped with this liquid liquid, the loss of heat generated in the electrical machine can be dissipated.
Sofern die Pumpe an einen Hydraulikkreislauf angeschlossen ist, ergibt sich eine Doppelfunktion, bei der nicht nur die elektrische Maschine durch hydraulisches Druckmittel gekühlt wird, sondern darüber hinaus ein oder mehrere Verbraucher hydraulischer Energie durch die elektrische Maschine angetrieben werden. Ein derartiges Aggregat eignet sich beispielsweise zur Beaufschlagung von Hubantrieben, z. B. Hubzylinder eines Flurförderzeugs, insbesondere Gabelstapler.If the pump is connected to a hydraulic circuit, there is a double function, in which not only the electric machine is cooled by hydraulic pressure medium, but also one or more consumers of hydraulic energy are driven by the electric machine. Such an aggregate is suitable for example for the application of lifting drives, z. B. lifting cylinder of a truck, especially forklift.
Die Pumpe ist bevorzugt als Zahnringpumpe ausgebildet. Zahnringpumpen sind bewährte, kostengünstige und platzsparende Pumpen und daher in idealer Weise für die Integration in den Statorträger der erfindungsgemäßem elektrischen Maschine geeignet.The pump is preferably designed as a toothed ring pump. Toothed ring pumps are proven, inexpensive and space-saving pumps and therefore ideally suited for integration into the stator of the inventive electric machine.
Es erweist dabei im Hinblick auf einen geringen Montageaufwand eine Bauweise als zweckmäßig, bei der an der Rotorwelle eine Außenverzahnung angeformt ist, die in eine Innenverzahnung eines zur Drehachse der Rotorwelle exzentrischen, drehbar gelagerten Zahnrings eingreift.It proves to be expedient in view of a low installation effort, a design in which an external toothing is integrally formed on the rotor shaft, which engages in an internal toothing of an eccentric to the axis of rotation of the rotor shaft, rotatably mounted toothed ring.
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand des in den schematischen Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigtFurther advantages and details of the invention will be explained in more detail with reference to the embodiment shown in the schematic figures. It shows
Die in den Figuren dargestellte elektrische Maschine verfügt über einen zentral angeordneten Statorträger
Jede Statoreinheit
Die beiden Rotoreinheiten
Ein besonders einfacher Aufbau sowohl der elektrischen Maschine als auch der zugehörigen Leistungssteuerung ergibt sich, wenn die elektrische Maschine nur zwei Wicklungsstränge aufweist, wobei die Spulen jeder Statoreinheit
In den Statorträger
Als Vorteil im Zusammenhang mit der Kühlung der elektrischen Maschine wirkt sich auch die Maschinenbauweise aus, bei der die elektrische Maschine im Prinzip aus zwei symmetrischen Hälften besteht, zwischen denen der als Kühlelement wirkende Statorträger
Die Pumpe
Im Bereich beider Stirnseiten der Pumpe
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel befinden sich die beiden Rotoreinheiten
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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